Question

6．以硫鐵礦（主要成分為FeS₂）為原料制取硫酸，其燒渣可用來煉鐵．

（1）煅燒硫鐵礦時發(fā)生反應(yīng)：FeS₂+O₂-→Fe₂O₃+SO₂（未配平）．當(dāng)產(chǎn)生448L（標準狀況）SO₂時，消耗O₂的物質(zhì)的量為27.5mol．
（2）Fe₂O₃用CO還原焙燒的過程中，反應(yīng)物、生成物和溫度之間的關(guān)系如圖1所示．（圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四條曲線是四個化學(xué)反應(yīng)平衡時的氣相組成對溫度作圖得到的；A、B、C、D四個區(qū)域分別是Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe穩(wěn)定存在的區(qū)域）
已知：3Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）；△H₁=a kJ•mol^-1
Fe₃O₄（s）+CO（g）═3FeO（s）+CO₂（g）；△H₂=b kJ•mol^-1
FeO（s）+CO（g）═Fe（s）+CO₂（g）；△H₃=c kJ•mol^-1
①反應(yīng)Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=$\frac{（a+2b+6c）}{3}$kJ•mol^-1（用含a、b、c的代數(shù)式表示）．
②800℃時，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%時，F(xiàn)e₂O₃用CO還原焙燒反應(yīng)的化學(xué)方程式為Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂．
③據(jù)圖分析，下列說法正確的是ac（填字母）．
a．溫度低于570℃時，F(xiàn)e₂O₃還原焙燒的產(chǎn)物中不含F(xiàn)eO
b．溫度越高，F(xiàn)e₂O₃還原焙燒得到的固體物質(zhì)組成中Fe元素的質(zhì)量分數(shù)越高
c．Fe₂O₃還原焙燒過程中及時除去CO₂有利于提高Fe的產(chǎn)率
（3）FeS₂是Li/FeS₂電池（示意圖如右圖）的正極活性物質(zhì)．
①FeSO₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃時以等物質(zhì)的量連續(xù)反應(yīng)24h后得到FeS₂．寫出該反應(yīng)的離子方程式：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-．
②$\frac{Li}{Fe{S}_{2}}$電池的負極是金屬Li，電解液是含鋰鹽的有機溶液．電池放電反應(yīng)為FeS₂+4Li═Fe+4Li⁺+2S^2-．該反應(yīng)可認為分兩步進行：第1步，F(xiàn)eS₂+2Li═2Li⁺+FeS${\;}_{2}^{2-}$，則第2步正極的電極反應(yīng)式為FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe．

Answer 1

分析 （1）煅燒硫鐵礦時發(fā)生反應(yīng)：FeS₂+O₂-→Fe₂O₃+SO₂，結(jié)合原子守恒和電子守恒配平書寫化學(xué)方程式，結(jié)合定量關(guān)系計算；
（2）①依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式；
②800℃時，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%時，圖象分析可知Fe₂O₃用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳；
③a、由圖可知，F(xiàn)eO在C區(qū)穩(wěn)定，對應(yīng)的溫度高于570℃；
b、對于反應(yīng)II知，升高溫度時，CO₂%減小，即升溫平衡逆向移動，F(xiàn)eO轉(zhuǎn)化成Fe₃O₄，F(xiàn)e%減小，F(xiàn)e%含量由高到低為：Fe＞FeO＞Fe₃O₄＞Fe₂O₃；
c、分離CO₂可使四個反應(yīng)的平衡均正向移動；
（3）①FeS；O₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃連續(xù)反應(yīng)24小時，四種物質(zhì)以等物質(zhì)的量反應(yīng)生成二硫化亞鐵，利用元素守恒和電子守恒寫出；
②原電池原理可知，負極是Li失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)eS₂得到電子生成硫離子和鐵，該反應(yīng)可認為分兩步進行：第1步，F(xiàn)eS₂+2Li═2Li⁺+FeS₂^2-，負極反應(yīng)式為Li-e^-=Li⁺，用總反應(yīng)減去第1步反應(yīng)得，2Li+FeS₂^2-=Fe+2Li⁺+2S^2-，用該反應(yīng)減去負極反應(yīng)式，消去Li⁺即可得正極反應(yīng)式的第2步電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）FeS₂中鐵元素由+2價升高到+3價，硫元素由-1價升高到+4價，F(xiàn)eS₂共升高11價，O2共降低2×2=4價，配平得4FeS₂ +11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂，根據(jù)“11O₂～8SO₂”知，生成20 mol SO₂時，消耗O₂為11×20/8=27.5mol配平的化學(xué)方程式為：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，當(dāng)產(chǎn)生448L（標準狀況）SO₂時物質(zhì)的量=$\frac{448L}{22.4L/mol}$=20mol，消耗O₂的物質(zhì)的量為27.5mol，
故答案為：27.5 mol；
（2）①、3Fe₂O₃（s）+CO（g）═2Fe₃O₄（s）+CO₂（g）；△H₁=a kJ•mol^-1
②、Fe₃O₄（s）+CO（g）═3FeO（s）+CO₂（g）；△H₂=b kJ•mol^-1
③、FeO（s）+CO（g）═Fe（s）+CO₂（g）；△H₃=c kJ•mol^-1
①依據(jù)蓋斯定律計算（①+2×②+6×③）×$\frac{1}{3}$得到反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe（s）+3CO₂（g）的△H=$\frac{（a+2b+6c）}{3}$KJ/mol，
故答案為：$\frac{（a+2b+6c）}{3}$；
②800℃時，混合氣體中CO₂體積分數(shù)為40%時，由圖可知，“800℃、CO₂體積分數(shù)為40%”時，在C區(qū)，此時為FeO的穩(wěn)定區(qū)域，故產(chǎn)物為FeO，F(xiàn)e₂O₃用CO還原得到氧化亞鐵和一氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂，
故答案為：Fe₂O₃+CO$\frac{\underline{\;800℃\;}}{\;}$2FeO+CO₂；
③a、由圖可知，F(xiàn)eO在C區(qū)穩(wěn)定，對應(yīng)的溫度高于570℃，故a正確；
b、Fe%含量由高到低為：Fe＞FeO＞Fe₃O₄＞Fe₂O₃，對于反應(yīng)II知，升高溫度時，CO₂%減小，即升溫平衡逆向移動，F(xiàn)eO轉(zhuǎn)化成Fe₃O₄，F(xiàn)e%減小，所以含量不僅與T有關(guān)，還與CO氣體的比例有關(guān)，故b錯誤；
c、分離CO₂可使四個反應(yīng)的平衡均正向移動，有利于Fe含量的增加，故c正確，
故答案為：ac；
（3）①FeSO₄、Na₂S₂O₃、S及H₂O在200℃連續(xù)反應(yīng)24小時，四種物質(zhì)以等物質(zhì)的量反應(yīng)生成二硫化亞鐵，反應(yīng)的化學(xué)方程式，F(xiàn)eSO₄+Na₂S₂O₃+S+H₂O═FeS₂↓+H₂SO₄+Na₂SO₄，反應(yīng)的離子方程式為：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-，
故答案為：Fe²⁺+S₂O₃^2-+S+H₂O$\frac{\underline{\;200℃\;}}{\;}$FeS₂+2H⁺+SO₄^2-；
②原電池反應(yīng)為FeS₂+4Li═Fe+4Li⁺+2S^2-．原電池原理可知，負極是Li失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)eS₂得到電子生成硫離子和鐵，該反應(yīng)可認為分兩步進行：第1步，F(xiàn)eS₂+2Li═2Li⁺+FeS₂^2-，負極反應(yīng)式為Li-e^-=Li⁺，用總反應(yīng)減去第1步反應(yīng)得，2Li+FeS₂^2-=Fe+2Li⁺+2S^2-，用該反應(yīng)減去負極反應(yīng)式，消去Li⁺即可得正極反應(yīng)式的第2步電極反應(yīng)式為FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe，
故答案為：FeS₂^2-+2e^-=2S^2-+Fe．

點評 本題考查了熱化學(xué)方程式書寫，原電池原理分析，化學(xué)平衡的應(yīng)用，主要是圖象分析判斷，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．